Cómo la biotecnología cuántica podría detectar señales ocultas en las células y anticipar enfermedades

Las proteínas cuánticas están irrumpiendo como sensores moleculares para captar señales invisibles, abriendo posibilidades en diagnóstico biomédico y tratamiento de enfermedad. Laboratorios internacionales desarrollaron estas herramientas que, gracias a su sensibilidad y la manipulación genética, permiten detectar fenómenos inéditos dentro de las células, con impactos en la sensibilidad de los procesos biomédicos.

Según la revista de divulgación científica Scientific American, los equipos de investigación transformaron proteínas fluorescentes —empleadas de manera tradicional para la visualización de procesos celulares— en sensores cuánticos capaces de captar señales antes invisibles.

Entre 2020 y 2026, estos avances, llevados a cabo en laboratorios de Estados Unidos y el Reino Unido, posibilitaron nuevas aplicaciones en la investigación biomédica y el tratamiento de enfermedades, superando los límites de las tecnologías tradicionales gracias a las propiedades de la mecánica cuántica.

Durante décadas, las proteínas fluorescentes fueron fundamentales en la biología molecular para marcar genes, rastrear otras proteínas y observar procesos vitales internos en organismos. Estas moléculas, derivadas de medusas y modificadas genéticamente, permiten localizar y monitorizar la actividad de otras proteínas, comprobar condiciones intracelulares y verificar la eficacia de fármacos en su objetivo.

Avance de las proteínas cuánticas

El límite de sensibilidad de los métodos tradicionales condujo a la búsqueda de técnicas más precisas para detectar señales sutiles. Jin Zhang, experta de la Universidad de California en San Diego, citada por la revista Scientific American, afirmó que los sensores cuánticos permiten detectar señales que antes no eran accesibles con la tecnología existente.

El salto hacia la unidad básica de información cuántica se produjo con equipos liderados por Peter Maurer de la Universidad de Chicago y David Awschalom del Instituto Cuántico de Chicago, centro líder en investigación en física cuántica.

Estos científicos demostraron que las proteínas fluorescentes pueden convertirse en unidades funcionales para la información cuántica en biología. Maurer explicó que es posible transformar estas moléculas, que suelen emplearse como etiquetas, en sensores sensibles a campos magnéticos.

El principio se basa en la estructura energética de la Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP), optimizada para emitir luz y manipulable mediante técnicas genéticas. En experimentos realizados desde 2020, el grupo logró modificar proteínas para que actuaran como sensores cuánticos y detectaran campos magnéticos incluso en células vivas. El resultado: la intensidad de la luz fluorescente osciló alrededor del 30 % al exponerlas a estímulos magnéticos.

Cómo funcionan los sensores cuánticos

En el plano físico, la función del sensor depende del estado triplete, cuando los electrones de la proteína, excitados por láser, pueden ingresar temporalmente en un estado intermedio con tres configuraciones de giro. Previamente considerado un obstáculo, este fenómeno resulta fundamental para lograr una superposición cuántica y convertir la proteína en sensor funcional.

Según la física Ania Jayich de la Universidad de California, Santa Bárbara, controlar este efecto permite analizar variaciones magnéticas con precisión, incluso bajo condiciones fisiológicas habituales.

Los investigadores Harrison Steel de la Universidad de Oxford y Andrew York de la institución de investigación biomédica Chan Zuckerberg Biohub incrementaron la sensibilidad empleando variantes de proteínas con flavinas, compuestos orgánicos que reaccionan en tiempo real ante campos magnéticos, lo que permite mediciones en organismos pequeños como bacterias o nematodos.

Esta tecnología también facilita avances en microscopía y permite incorporar múltiples sensores en un experimento, sentando las bases para la magnetogenética, técnica que manipula funciones celulares mediante campos magnéticos controlados.

Ventajas y retos técnicos

Hasta hace poco, los sensores cuánticos utilizados —como el centro NV en diamante— destacaban por su precisión para detectar campos magnéticos. No obstante, estos sensores son unas diez veces más grandes que una proteína y limitan su empleo en células vivas, como remarcó Jayich.

Las proteínas cuánticas fluorescentes superan este obstáculo por su escala molecular y producción mediante modificación genética, lo que posibilita la generación de sensores allí donde se necesiten.

El ingeniero biológico Nathan Shaner de la Universidad de California en San Diego señaló que desarrollar sensores sensibles a los potenciales de acción neuronales supone un reto técnico por los cambios minúsculos que implican. La tecnología permite detectar señales eléctricas neuronales, flujos iónicos y la presencia de radicales libres, indicadores para enfermedades y procesos biológicos.

Las proteínas muestran cierta fragilidad y degradabilidad ante la luz, además de que la sensibilidad sigue en mejora. Maurer indicó que su equipo trabaja en variantes que prolonguen la permanencia en el estado triplete para incrementar la eficiencia de detección.

Aplicaciones y futuro

En la actualidad, las siguientes generaciones de sensores podrían identificar el pH, la temperatura y diversos marcadores celulares críticos. Los experimentos alcanzaron resoluciones del orden de 0,5 mm (medio milímetro), con el objetivo de avanzar hacia una instrumentación tridimensional y desarrollar aplicaciones clínicas.

“El mayor reto es llevar esta tecnología a la práctica”, reconoció Steel en declaraciones para la revista Scientific American. Indicó que los próximos pasos son claros y que alcanzar el máximo potencial demandará mejoras y optimización en los sensores desarrollados.